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1.1介绍过程控制1.近年来，对过程系统的性能改善需求变得越来越困难.更为激烈的竞争，更加严格的环境和安全规范，以及快速变化的经济条件都是加强工厂产品质量规范的关键因素2.更为复杂的情况是，由于现代制造业朝着规模更大,集成度更高的方向发展,而使不同的加工环节之间的协调能力更低,所以加工过程更难控制.在这种工厂中，要想让一个生产环节出现的问题不对其相连的另一个生产环节产生影响,几乎是不可能的.3.近年来，考虑到工业制造逐渐加强的安全、高效需求，过程控制这个课题变得越来越受重视.实际上，对于大多数现代工业，要满足安全、高效，产品质量的要求，没有控制系统是不可能的.1.1.1说明性的例子1.图1.1.1所示的连续加热搅拌器可以作为过程控制的典型例子.输入液态流体的质量流量率为w，温度为Ti.槽内成分搅拌均匀，并且用电加热器，功率为Q瓦特.2.假设输入和输出流量率是相等的，并且液体密度保持恒定，也就是说温度变化足够小，密度对温度的影响可以忽略不计.在这些条件下，槽内液体的体积保持恒定3.加热搅拌器的控制目标是保持输出温度T在一个恒定参考值TR上.参考值在控制术语中指的是给定值.下面我们考虑两个问题.把加热搅拌器内的液体从输入温度Ti加热到输出温度TR，需要多少热量？1.要确定达到设计运行条件下的热量需求，我们需要写下槽内液体的稳定能量平衡式.在写平衡式之前，假设槽内是完美搅拌的，同时忽略热损耗.2.在这些条件下，槽内成分的温度保持一致，因此，输出温度等于槽内液体温度.根据稳态能量守恒，加入的热量等于输入和输出流体之间的焓变化量.3.在一个分别表示Ti,T,w,和Q的稳定设计标定值，C是液体的比热.我们假设C是恒定的.在设计条件下，.将其代入方程（1），可以得到标定热量输入为1.方程（2）是加热器的设计方程.如果我们的假设是正确的，同时输入流量和输入温度等于他们的标定值，那么有方程（2）给出的输入热量将使输出温度保持在期望值TR.但是，如果给定条件变化，会产生什么样的结果呢？这给我们带来第二个问题：2.问题2.假设输入温度Ti随时间变化.我们如何确保温度T保持或靠近给定值TR？最为一个特殊的例子，假设Ti增加到一个大于的值.如果Q保持在标定值上恒QandwTTi,,,RTT:Q)(iRTTCwQ定，我们可以得到输出温度将增加，因此TTR.为应付这种情况，有一些可能的策略控制出口温度T方法1。测量和调整问题1.一种控制温度T避免Ti干扰的方法是，基于T的测量来调整输入热量Q.直观上来说，如果温度太高，我们应该减少输入热量；如果温度太低，我们可以增加输入热量.这种控制策略将使温度趋向于温度给定值TR，并且可以用几种不同的方法来实现.2.例如，工厂操作员可以观察测量温度，将测量值与TR进行比较.然后操作员将用恰当的方式改变输入热量Q.这是手动控制的应用.然而，用一个电子设备来代替人来控制，是更为简单和经济的，这就是使用自动控制方法2。测量Ti，调整Q。作为一个替代方法，我们可以方法1，Ti和Q相应调整为干扰变数。因此，如果Ti比_Ti大，我们可以减少Q；Ti_Ti，我们可以设置Q_Q方法3。测量T，调整w与调整输入热量Q类似，我们可以选择操作质量流量w.因此，如果温度太高，我们将增加流量w，使得搅拌槽的能量输入速率相对于质量流量减少，因此使输出温度得以降低.方法4。测量Ti，调整w和方法3类似，如果Ti太高了，我们应该增加。方法5。测量Ti，调整Q该方法结合方法1和2。方法6。测量Ti和T，调整w该方法结合方法3和4。方法7.在输入流安置一个热交换器.热交换器意图减少Ti的干扰，因此可以减少温度T的扰动.这个方法有时又叫做输入束缚法.方法8.1.使用一个更大的槽.如果使用更大的槽，因为更大的热容，Ti的波动会趋向于衰减.然而，体积增加使得开支增加，会使工厂系统的解决方案变得更加昂贵.2.要指出的是这个方法类似于化学实验室中水缸的使用，水缸大的热容量可以看作散热装置，因此可以为小型实验仪器提供一个恒温环境.1.1.2分类控制策略1.接下来，我们将给这8种控制方法进行分类，同时讨论他们各自的优缺点.方法1和3是反馈控制的例子.在反馈控制中，测量被控过程变量，该测量值用于调整另一个可以操做的过程变量.（即测量变量，操作变量，测量变量用于调整操作变量.）2.因此，对于方法1来说，测量变量是T，操作变量是Q.对于方法3，测量变量仍旧是T，但是操作变量则是w.需要注意的是，在反馈控制中，扰动变量Ti没有被测量.1.区分负反馈和正反馈很重要.负反馈是指期望达到的形势，控制器的校正作用使得被控变量趋于给定值.2.相反地，当正反馈存在时，控制器使局面变得更加糟糕，它使被控变量远离给定值.因此，对于加热搅拌器来说，如果T太高，我们将减少输入Q（负反馈），而不是增加输入热量Q（正反馈）.1.方法2和4都是前馈控制策略.这里，扰动变量Ti是被测量的，并且用于操作输入热量Q或输入流量w.注意的是，在前馈控制中，被控变量T是没有被测量的.2.方法5是前馈-反馈控制策略，因为它是方法1和2的综合.同样地，方法6也是前馈-反馈控制策略，因为它是方法3和4的综合3.方法7和8包含了设备的设计变化，因此并不是真正的控制策略.注意方法7有点不合适,因为它涉及到在加热搅拌器的入口通道中添加一个热交换器,而加热搅拌器本身的设计功能就是个热交换器.加热搅拌器的控制策略在表格1.1.1中做了总结.1.到目前为止，我们仅仅考虑了Ti波动这一种干扰源.我们也应该考虑其他过程变量干扰的可能性,如会影响槽中散热量的环境温度.2.回忆一下前面我们假定热损失是可忽略的.过程设备的变化是另一个可能的干扰源.例如，加热器的特性会因为液体结垢而随时间变化.考察这些不同类型的干扰对前馈和反馈控制策略的影响是有益的1.首先，考虑方法2中的前馈控制方法,在这种方法中测量的是干扰Ti，并且测量用于调整可操作量Q.从理论上讲，尽管存在干扰Ti,这种控制方案有能力保持被控变量精确在给定值TR2.在理想情况下,如果对Ti的精确的测量是可能的,并且以一种合适的方法对Q进行调整，那么加热器的校正作用将在T被影响以前就抵消干扰的影响.如此而言,从维持被控变量在给定值的意义上讲,前馈控制原则上能够提供完美(无差，没有误差)的控制.1.但是如果干扰源来自其他过程变量,这种前馈控制的策略如何发挥作用呢？特别地,假如流量w不能维持恒定，而是随时间变化.在这种情况下，w被看作是一个扰动变量.2.如果w增加,出口温度T将减少,除非加热器提供更多的热量.然而,在方法2的控制策略中,只要Ti不变,热量输入值Q就维持恒定.因此,对没有测量的流量扰动就不会采取校正动作.3.原则上说,处理这种情况,我们可以同时测量Ti和w,然后调整Q来同时补偿这两种扰动.然而,从实际出发,试图测量所有潜在的干扰一般来说是昂贵的.既然反馈控制可以对未知的干扰提供校正动作,采用前馈和反馈组合的控制策略将更加实际,正如我们下面将要讨论的那样.4.因此在工业应用中,前馈控制一般是和反馈控制结合使用的.1.下面我们考虑扰动Ti或w出现的情况下，方法1的反馈控制如何实行.如果采用方法1,校正动作只有在干扰已经影响了过程之后发生，也就是说,直到T偏离了TR之后.2.既然在校正动作产生前,被控量必须偏离给定值,所以就其本身的固有属性而言,反馈控制不是完美(无差)控制.然而,反馈控制的一个极其重要的优点是,不论对什么样的扰动,都可以产生正确的校正动作.3.因此，在方法1中,当扰动Ti或w引起T偏离给定值后,校正动作都会产生(通过调整Q).这种处理未知起因、没有测量的扰动的能力是反馈控制在过程控制中应用如此之广的主要原因.1.2什么是反馈和它有什么影响？1.第一节事例中，应用反馈的动机有些过于简单。2.在这些例子中，应用反馈的目的是减小参考输入和系统输出间的误差。3.然而，在控制系统中应用反馈的重要性要比这些简单例子所示的复杂得多。4.减少系统误差只是反馈对系统产生的重要作用之一。5.在下面的章节里，反馈还能对系统的下列运行特性产生影响：稳定性，带宽，总增益，扰动和灵敏度。1.为了理解反馈对控制系统的作用，我们需要从广义的角度来检验这个现象。2.当反馈被有意地引入控制中时，（我们可以）很容易地识别出它来。3.但是在很多情况下，我们通常认为的本质上非反馈的物理系统，在某些特定的观察方式下，也会表现出反馈的特性。4.一般来说，每当系统变量间存在一个有因果关系的闭路序列时，我们可以说系统存在反馈。5.这种观点不可避免地承认了大量的最初被认为是非反馈系统的系统都存在反馈。6.随着反馈和控制理论的应用，一旦上述意义上的反馈的存在被建立，这种通用的反馈定义可以使大量的系统得到更系统化的研究，而不管有没有物理上的反馈。1.现在我们从系统性能的不同方面研究反馈的作用。（如果）没有必须的线性系统理论的数学基础，目前我们在讨论中就只能依赖于简单的静态系统表示法。2.我们考虑简单的反馈系统，如图1.2.1，其中r是信号输入，y是信号输出，e是误差，b是反馈信号。参数G和H可被认为是常数增益。3.通过简单的代数运算，它是简单的表明，投入产出关系的系统4.利用这一基本关系的反馈系统的结构，我们可以发现一些显着的效果反馈。1.2.1反馈作用的总增益1.如等式（1）所示，反馈使原非反馈系统的增益由G变成了G除以系数(1+GH)2.图1.2.1的系统被称为具有负反馈，因为反馈信号前具有负号3.GH本身有可能为负，所以反馈的总效果可能增加也可能减少增益G4.在实际的控制系统中，G和H都是频率的函数，因此1+GH的幅值在一种频段下可能增大系统的增益，而在另一频段下又可能减小系统的增益。5.所以，反馈在一种频段下有可能会加大系统的增益，而在其它频段下减小系统的增益。1.2.2效果反馈稳定性1.稳定性是描述系统是否能够跟踪输入命令或是否有用的概念2.非严格地，如果一个系统的输出失去了控制，我们就说它是不稳定的3.为了研究反馈对稳定性的影响，我们可以再次观察等式（1）。如果GH=-1（称为负一），对于任何输入，系统的输出都是无穷大，这样的系统是不稳定的4.因此，我们说反馈可以使原来稳定的系统变得不稳定5.当然，反馈是一柄双刃剑，当使用不当时，将会产生坏的作用6.然而需要指出的是，我们在这里只针对静态情况，而通常GH=-1不是系统不稳定的唯一条件。GHGryM11.可以证明，加入反馈的好处之一是能够使不稳定的系统稳定。我们假设图1.2.1所示的反馈系统是不稳定的，因为GH=-1。如果我们引入另一反馈环，其负反馈增益是F，如图1.2.2所示，系统总的输入/输出关系是2.很明显，尽管G和H使内环反馈系统不稳定，因为GH=-1，而如果正确选择外环的反馈增益F，系统总体上能够是稳定的。3.在实践中，GH是频率的函数，并且闭环系统的稳定性条件依赖于GH的幅值和相位。结论是反馈能够改进系统的稳定性，但如果使用不当，也有可能破坏稳定性.3.反馈对灵敏度的影响1.控制系统中对灵敏度的考虑是非常重要的。由于所有的物理元素都有随环境和时间变化的特性，在系统的整个运行过程中，我们不可能把控制系统的参数当作完全静态的。2.例如，马达的线圈电阻会随着马达温度的升高而变化。第1章中的电子打字机在第一次开机时有时会运行不正常，因为系统参数在预热期间发生变化。3.这种现象有时被称为“早困”。大多数复印机都有预热时间，在初次打开后运行会闭锁.1.总的来说，一个好的控制系统应当对参数的变化很不灵敏，而对输入命令的响应很灵敏。我们来研究对参数变化的灵敏度，反馈将会产生何种影响。在图1.2.1中，我们考虑G是变化的增益参数。对于G的变化，系统的总的增益灵敏度M定义为2.其中偏M表示由G的微小变化量偏G造成的M的微小变化量。应用（1）式，灵敏度函数可以写成1.这个关系说明如果GH是正的常数，在系统保持稳定的前提下，灵敏度函数的幅值可以通过增大GH变得任意小。很明显，在开环系统中，系统的增益对G来说是一比一的形式（即SMG=1）。2